NO175415B

NO175415B - Improvement by a method of foam burning molding under controlled pressure, of metal objects

Info

Publication number: NO175415B
Application number: NO904706A
Authority: NO
Inventors: Michel Garat
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1989-10-31
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1994-07-04
Also published as: DE69002218T2; BR9005428A; HU906933D0; NO904706L; NO175415C; ATE91445T1; YU204290A; NO904706D0; MX171994B; KR910007601A; CN1051319A; FI92807B; PL165320B1; DE69002218D1; KR940002018B1; DK0426581T3; AU6561790A; JPH0626750B2; EP0426581A1; BG93124A

Description

Foreliggende oppfinnelsen angår en forbedring av fremgangsmåten for skumavbrenningsstøping såkalt "lost-foam" støping, under kontrollert trykk, av metallgjenstander og spesielt av aluminium og legeringer derav, der modellen av organisk skum av gjenstanden som skal støpes er nedsenket i en form viss vegger er definert av et bad av tørr sand og ikke inneholdende bindemiddel idet formen kan fylles med metall i flytende tilstand og som gradvis kommer i stedet for skummet ved avbrenning av dette og der det så legges på formen og metallet, fortrinnsvis før metallet begynner å størke, et kvasiisostatisk gasstrykk som øker over tiden inntil den når en konstant verdi på mellom 0,5 og 10 MPa hvorved trykkstigningsfasen gir et overtrykk i det smeltede metall i forhold til sanden hvor maksimum ligger innen de første 5 sekunder under stigningen, som beskrevet i FR-PS 2.606.688 publisert 20/5-1988. The present invention relates to an improvement of the method for foam combustion casting, so-called "lost-foam" casting, under controlled pressure, of metal objects and especially of aluminum and its alloys, where the organic foam model of the object to be cast is immersed in a mold whose walls are defined of a bath of dry sand and not containing binder, as the mold can be filled with metal in a liquid state and which gradually replaces the foam when this is burned off and where it is then placed on the mold and the metal, preferably before the metal begins to solidify, a quasi-isostatic gas pressure that increases over time until it reaches a constant value of between 0.5 and 10 MPa whereby the pressure rise phase produces an overpressure in the molten metal in relation to the sand, the maximum being within the first 5 seconds during the rise, as described in FR-PS 2.606 .688 published 5/20/1988.

Det er kjent for fagmannen, hovedsakelig fra US-PS 3 157 924 at modellen av polystyrenskum som nedsenkes i en form tildannet fra tørrstoff og ikke inneholdende bindemiddel, kan benyttes for støping. I en slik prosess blir metallet som skal støpes og som på forhånd er smeltet, bragt i kontakt med modellen ved hjelp av kanaler som trenger gjennom sanden og som gradvis kommer i stedet for modellen ved å brenne den av og omdanne det til damp som så slipper ut mellom sandkornene. It is known to the person skilled in the art, mainly from US-PS 3 157 924, that the model of polystyrene foam which is immersed in a mold formed from dry matter and not containing a binder, can be used for casting. In such a process, the metal to be cast, which has previously been melted, is brought into contact with the model by means of channels that penetrate the sand and which gradually replaces the model by burning it off and converting it into steam which then escapes out between the grains of sand.

Denne metode er funnet attraktiv i industriell skala fordi den unngår den preliminære fremstilling, ved kompaktering og agglomerering, av pulverformige ildfaste materialer, av stive former forbundet på heller komplisert måte til kjerner ved hjelp av kanaler og tillater enkel gjenvinning av støpet og lett sirkulering av støpte materialer. This method has been found attractive on an industrial scale because it avoids the preliminary manufacture, by compaction and agglomeration, of powdery refractories, of rigid forms connected in a rather complicated way to cores by means of channels and allows easy recycling of the cast and easy circulation of cast materials.

Imidlertid har denne metode enkelte mangler: However, this method has some shortcomings:

Den relative langsomhet ved størkningen gir dannelse av gasshull; The relative slowness of the solidification results in the formation of gas holes;

Den relative svakhet ved de termiske gradienter som kan forårsake mikrokrymping hvis gjenstandens omriss gjør tilmatningen derav vanskelig. The relative weakness of the thermal gradients that can cause microshrinkage if the outline of the object makes its feeding difficult.

Med det formål å overvinne slike mangler er det nå utviklet en skumavbrenningstørking-støpeprosess som er gjenstand for den søknad som er publisert i Frankrike under nr. 2.606.688. With the aim of overcoming such shortcomings, a foam burning drying-casting process has now been developed which is the subject of the application published in France under No. 2,606,688.

Denne søknad beskriver at, etter at man har fylt formen med smeltet sand, det vil si når modellen helt er ødelagt av metallet, dampen som avgis fra skummet er fjernet og fortrinnsvis før metallet begynner å størkne, et isostatisk gasstrykk utøves på form og metall. Dette trykk legges på i verdier som økes med tiden for å unngå fenomenet med metallpenetrering og derfor nås den maksimale verdi i løpet av mindre enn 15 sekunder. This application describes that, after filling the mold with molten sand, that is, when the model is completely destroyed by the metal, the steam emitted from the foam is removed and preferably before the metal begins to solidify, an isostatic gas pressure is applied to the mold and metal. This pressure is applied in values that increase with time to avoid the phenomenon of metal penetration and therefore the maximum value is reached in less than 15 seconds.

I denne søknad ble det maksimale trykk fiksert til mellom 0,5 og 1,5 MPa. Imidlertid ble dette området senere endret til 10 MPa i det franske tilleggssertifikat nr 89-11943 av 7/9-1989 slik at, blandt andre forbedringer, utmattelsesmotstandsevnen for de fremstilte gjenstander kunne økes. In this application, the maximum pressure was fixed at between 0.5 and 1.5 MPa. However, this range was later changed to 10 MPa in the French Supplemental Certificate No. 89-11943 of 7/9-1989 so that, among other improvements, the fatigue resistance of the manufactured articles could be increased.

I mellomtiden er det også funnet at, i tillegg til fenomenet med metallpenetrering som fører til deformering av gjenstanden, foregående flytendegjøring av skummet fulgt av forgassing under forbrenningen av skummet på grunn av metallet, dannet et trykk slik at gass penetrerte inn i metallet og dannet blåsehull deri og forårsaket opptredenen av karboninklusjoner fra ufullstendig forbrenning av skum-restene. Meanwhile, it is also found that, in addition to the phenomenon of metal penetration leading to the deformation of the object, preceding liquefaction of the foam followed by gasification during the combustion of the foam due to the metal, created a pressure so that gas penetrated into the metal and formed blow holes therein and caused the appearance of carbon inclusions from incomplete combustion of the foam residues.

For å overvinne dette nye problem anbefalte man en forbedring som utgjør gjenstanden for en søknad for et tilleggs-sertif ikat av 7. mars 1989 under nummeret 89-03706 og som involverte økning av trykket i en mengde slik at det, som funksjon av kornstørrelsen i sanden og nedsenkningsdybden av modellen, hurtig og temporært ved trykktap under sanden dannes et høyere trykk i det smeltede metall enn i sanden i området for grenseflaten idet dette overtrykk når en verdi inneholdt mellom to grenser og deretter reduseres etterhvert som trykket øker, for derved å holde trykket konstant inntil størkning er fullstendig. To overcome this new problem, an improvement was recommended which is the subject of an application for a supplemental certificate dated March 7, 1989 under the number 89-03706 and which involved increasing the pressure by an amount such that, as a function of the grain size in the sand and the immersion depth of the model, rapid and temporary loss of pressure under the sand creates a higher pressure in the molten metal than in the sand in the area of the interface, as this excess pressure reaches a value contained between two limits and then decreases as the pressure increases, thereby keeping pressure constantly until solidification is complete.

Økningshastigheten for trykket er fortrinnsvis mellom 0,003 og 0,3 MPa/sek og jo større tykkelsen i gjenstanden er jo lavere er hastigheten idet det maksimale overtykk nås i løpet av mindre enn 2 sekunder. The rate of increase for the pressure is preferably between 0.003 and 0.3 MPa/sec and the greater the thickness in the object, the lower the speed, as the maximum excess thickness is reached in less than 2 seconds.

Man har forsøkt ytterligere å forbedre fremgangsmåten innen-for rammen av basispatentsøknaden og dens forbedringer. Således er det kjent at det maksimale trykk skulle legges på før det støpte metall nådde en viss grad av størkning, ellers ville virkningen av trykket sterkt fremheves. Nå er det også observert at, for å unngå fenonomenet med metallpenetrering og penetrering inn i gjenstanden av gass fra fordamping av skummet, et gitt område for overtrykk må overholdes til å begynne med. Dette forutsetter at trykket, for å unngå et for stort overtrykk, bør økes moderat i de første påleggnings-sekunder. Hvis imidlertid denne økning holdes på samme verdi under pålegging av trykk finnes det at alt metall tilsyne-latende er størknet før det maksimale trykk nås og effekti-viteten ved prosessen derfor er begrenset. Attempts have been made to further improve the method within the framework of the basic patent application and its improvements. Thus, it is known that the maximum pressure should be applied before the cast metal has reached a certain degree of solidification, otherwise the effect of the pressure would be greatly accentuated. Now it is also observed that, in order to avoid the phenomenon of metal penetration and penetration into the object of gas from vaporization of the foam, a given range of overpressure must be observed initially. This presupposes that the pressure, in order to avoid excessive overpressure, should be increased moderately in the first application seconds. If, however, this increase is kept at the same value during the application of pressure, it is found that all metal is apparently solidified before the maximum pressure is reached and the effectiveness of the process is therefore limited.

Dette er hvorfor man hadde ideen om å øke trykket i to trinn. This is why one had the idea of increasing the pressure in two stages.

Således angår foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte av den innledningsvis beskrevne art og denne fremgangsmåte karakteriseres ved at trykket til å begynne med økes i en hastighet på mellom 0,003 og 0,3 MPa/sek for et første tidsrom på høyst 5 sekunder fra begynelsen av stigningen av trykket hvoretter det så oppnås en høyere hastighet enn den i den første periode i løpet av den annen periode inntil maksimalt trykk er nådd. Thus, the present invention relates to a method of the type described at the outset and this method is characterized by the fact that the pressure is initially increased at a rate of between 0.003 and 0.3 MPa/sec for a first period of no more than 5 seconds from the beginning of the increase in pressure after which a higher speed than that of the first period is achieved during the second period until maximum pressure is reached.

Således er det mulig å overholde betingelsen for å forhindre metallpenetrering og karboninklusjoner og for å nå det maksimale trykk før metallet fullstendig har størknet. Den første periode er fortrinnsvis på høyst 2 sekunder fordi denne verdi vanligvis er tilstrekkelig til å unngå de ovenfor nevnte mangler. Økningen i hastigheten for trykkstigningen kan oppnås på to forskjellige måter; Thus, it is possible to comply with the condition to prevent metal penetration and carbon inclusions and to reach the maximum pressure before the metal has completely solidified. The first period is preferably at most 2 seconds because this value is usually sufficient to avoid the above-mentioned shortcomings. The increase in the speed of the pressure rise can be achieved in two different ways;

enten arbeider man i to trinn under hvert av hvilke det først legges på en lav konstant hastighet og så en høy-konstant hastighet. Trykkurven over tid representeres derfor ved to rette deler med et fellespunkt som befinner seg ved en tid t < 5 sek. Dette kan oppnås ved å anbringe en ventil eller to ventiler med to forskjellige tverr-snittsåpninger i gasskretsen; eller either one works in two steps, during each of which a low constant speed is first applied and then a high-constant speed. The pressure curve over time is therefore represented by two straight parts with a common point located at a time t < 5 sec. This can be achieved by placing a valve or two valves with two different cross-sectional openings in the gas circuit; or

man arbeider med en prosess under hvilken hastigheten økes kontinuerlig. Trykkurven representeres deretter ved en kontinuerlig økende kurve hvori verdien av v er mindre enn 0,3 MPa/sek i en tid t < 5 sek. Dette kan oppnås ved hjelp av en ventil der strømningstverrsnittet progressivt økes. Et ikke begrensende eksempel på denne prosess involverer adaptering av en åpningslov som gir en lineær økning i hastigheten med tiden med formelen dP/dt = kt, noe som fører til en parabolsk trykklov p = Vi kt<2>. one works with a process during which the speed is continuously increased. The pressure curve is then represented by a continuously increasing curve in which the value of v is less than 0.3 MPa/sec for a time t < 5 sec. This can be achieved by means of a valve where the flow cross-section is progressively increased. A non-limiting example of this process involves fitting an opening law that gives a linear increase in velocity with time with the formula dP/dt = kt, leading to a parabolic pressure law p = Vi kt<2>.

Oppfinnelsen skal illustreres ved hjelp av følgende eks-empler . The invention shall be illustrated by means of the following examples.

EKSEMPEL 1 EXAMPLE 1

Et hode for en forbrenningsmotor ble fremstilt fra en aluminiumlegering av A-S7U3G typen inneholdende 6,3 vekt-# silisium, 3,1 vekt-# kobber, 0,3 vekt-# magnesium og resten aluminium og vanlige urenheter. Topplokket hadde en tykk flens og tynne vev med en tykkelse på 3 mm for hvilke tiden for oppnåelse av en størkningsgrad på 30 % var ca 4 sek; videre var metallveien lang og førte til en lav matehastighet ved enden av fyllingen og nødvendig gjorde overheting av metallet. A head for an internal combustion engine was made from an aluminum alloy of the A-S7U3G type containing 6.3 wt-# silicon, 3.1 wt-# copper, 0.3 wt-# magnesium and the balance aluminum and common impurities. The cylinder head had a thick flange and thin webs with a thickness of 3 mm for which the time to achieve a degree of solidification of 30% was about 4 sec; furthermore, the metal path was long and led to a low feed rate at the end of the filling and necessitated overheating of the metal.

Metallet ble støpt i en form inneholdende polystyrenmodellen nedsenket i sand, og et maksimalt trykk på 1,5 MPa ble lagt på i henhold til oppfinnelsen i overenstemmelse med følgende prosedyre: en økning på 0,25 MPa/sek for å oppnå et trykk på 0,5 MPa i løpet av de første 2 sek; The metal was cast in a mold containing the polystyrene model immersed in sand, and a maximum pressure of 1.5 MPa was applied according to the invention in accordance with the following procedure: an increase of 0.25 MPa/sec to achieve a pressure of 0 .5 MPa during the first 2 sec;

en økning på 0,5 MPa/sek for å oppnå et trykk på 1,5 MPa iløpet av de følgende 2 sekunder. an increase of 0.5 MPa/sec to achieve a pressure of 1.5 MPa during the following 2 seconds.

Denne prosedyre ble gjennomført ved å benytte to ventiler med forskjellig tverrsnitt anbragt i gassmatekretsen. This procedure was carried out by using two valves with different cross-sections placed in the gas supply circuit.

Problemene med metallpenetrering og karboninklusjon i gjenstanden ble således unngått mens man oppnådde betingelsen slik at det maksimale trykk ble nådd før størkningsgraden nådde 30 %. The problems of metal penetration and carbon inclusion in the article were thus avoided while achieving the condition that the maximum pressure was reached before the degree of solidification reached 30%.

I henhold til den kjente teknikk ville påleggning av et trykk som øket med tiden, for å oppnå 1,5 MPa i 4 sek, ha ført til en økning på 0,375 MPa/sek og denne verdi overskrider grensen på 0,30 MPa/sek som gjelder ifølge 89-03706. According to the prior art, applying a pressure that increased with time, to achieve 1.5 MPa for 4 sec, would have led to an increase of 0.375 MPa/sec and this value exceeds the limit of 0.30 MPa/sec which applies according to 89-03706.

EKSEMPEL 2 EXAMPLE 2

En baerearm ble fremstilt fra en aluminium av A-S7U3G typen inneholdende 7,5 vekt-# silisium, 0,25 vekt-# magnesium og resten aluminium og vanlige urenheter. Armen hadde en vanlig tykkelse på 0,6 til 8 mm og tiden som var nødvendig for å nå en størkningsgrad på 30 # var ca. 20 sek. A carrier arm was fabricated from an A-S7U3G type aluminum containing 7.5 wt-# silicon, 0.25 wt-# magnesium and the remainder aluminum and common impurities. The arm had a typical thickness of 0.6 to 8 mm and the time required to reach a degree of solidification of 30# was approx. 20 sec.

Metallet ble støpt inn i formen og et maksimaltrykk på 8 MPa ble lagt på ifølge oppfinnelsen i henhold til prosedyren som involverte oppnåelse, ved hjelp av en styrt ventil, av en parabolsk stigning av trykket tilsvarnede formelen P = 2xl0-<2 >t<2> der P uttrykkes i MPa og t i sekunder hvorved dette oppnås ved hjelp av en trykkhastighetsstigning dP/dt = 4xl0~2t. The metal was cast into the mold and a maximum pressure of 8 MPa was applied according to the invention according to the procedure which involved obtaining, by means of a controlled valve, a parabolic rise of the pressure corresponding to the formula P = 2xl0-<2 >t<2 > where P is expressed in MPa and t in seconds whereby this is achieved by means of a pressure velocity increase dP/dt = 4xl0~2t.

Prosedyren tillot: The procedure allowed:

iløpet av de første 2 sekunder, oppnåelsen av en økende hastighet som ikke overskred 0,08 MPa/sek. og derfor lå langt lavere enn grensen på 0,30 MPa/sek som gjelder ifølge søknad 89-03706 for å unngå metallpenetrering men høyere enn, fra øyeblikket t = 0,075 sekunder, den nedre grense på 0,003 MPa/sek som sikrer grundig evakuering av during the first 2 seconds, the achievement of an increasing speed that did not exceed 0.08 MPa/sec. and was therefore far lower than the limit of 0.30 MPa/sec which applies according to application 89-03706 to avoid metal penetration but higher than, from the moment t = 0.075 seconds, the lower limit of 0.003 MPa/sec which ensures thorough evacuation of

gass og væskerester fra modellen; gas and liquid residues from the model;

etter 20 tilgjengelige sekunder var oppnåelsen av trykket på 8 MPa nødvendig for at kompakt er ingen helt ut skulle kunne gjennomføres. after 20 available seconds, the achievement of the pressure of 8 MPa was necessary in order for compaction to be carried out completely.

Problemet med metallpenetrering og karboninklusjon i gjenstanden unngås således ved å adoptere betingelser slik at det maksimale trykk nås før størkningsgraden når 30 %. The problem of metal penetration and carbon inclusion in the object is thus avoided by adopting conditions such that the maximum pressure is reached before the degree of solidification reaches 30%.

Ifølge den kjente teknikk ville påleggelsen av et trykk som over tid øker, for å oppnå 8 MPa i løpet av 20 sek., ha ført til en økning på 0,4 MPa/sek idet denne verdi overskrider den grense som var nødvendig for å unngå metallpenetrering. According to the prior art, the imposition of a pressure which increases over time, to reach 8 MPa during 20 sec., would have led to an increase of 0.4 MPa/sec, this value exceeding the limit necessary to avoid metal penetration.

Claims

1. Method of foam combustion casting under controlled pressure of metal objects, in particular aluminum and its alloys, in which the organic foam model of the object to be cast is immersed in a mold whose walls are defined by a bath of dry sand and containing no binder, the mold being able to be filled with metal in a liquid state and which gradually replaces the foam when it is burned off and where it is then placed on the mold and the metal, preferably before the metal begins to solidify, a quasi-isostatic gas pressure that increases over time until it reaches a constant value between 0, 5 and 10 MPa whereby the pressure rise phase produces an overpressure in the molten metal in relation to the sand where the maximum is within the first 5 seconds of the rise, characterized by the pressure initially being increased at a rate of between 0.003 and 0.3 MPa/sec in a first period of no more than 5 seconds from the beginning of the rise of the pressure after which it is increased at a rate higher than that in the first p period, in a second period until the maximum pressure is reached.

2. Method according to claim 1, characterized in that the first period is no more than 2 seconds.

3. Method according to claim 1, characterized in that the speed is constant during each of the two periods.

4. Method according to claim 1, characterized in that the speed increases continuously during the two periods.